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Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere zum Betätigen von außenseitig anschließbaren Ventilen, mit einem Spulenkörper mit Spulenwicklung, wobei der Spulenkörper zumindest teilweise einen Polkern oder ein Polrohr radial umgreift. Ein in dem Polrohr innerhalb eines Ankerraumes geführter Magnetanker wirkt mit einem Betätigungselement für ein Ventil oder ein anderes Bauteil zusammen. Die Betätigungsvorrichtung weist ferner eine Einrichtung zur magnetischen Beeinflussung, insbesondere Entkopplung des Polrohres von dem Polkern auf, um einen im Wesentlichen geschlossenen Magnetkreis zu bilden.
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Dahingehende Betätigungsvorrichtungen, die auch als Schaltmagnete bezeichnet werden, beschreibt beispielsweise die
DE 101 04 998 A1 . Ein elektromagnetisch wirkender Spulenkörper mit einer Spulenwicklung umgreift dabei einen Polkern und ein Polrohr radial. In einem zylindrischen Ankerraum in dem Polrohr ist ein Magnetanker axial verschiebbar geführt. Der Magnetanker wirkt mit einem Betätigungsteil für ein Ventil, wie etwa mit einem Steuerschieber, zusammen. Solche Betätigungsvorrichtungen weisen Trennstellen oder Einrichtungen zur magnetischen Entkopplung des Polrohres und des Polkerns auf. Dadurch wird ein geschlossener Magnetkreis von dem Polkern über das Polrohr zu einem Gehäuse, das den Spulenkörper umschließt, gebildet.
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Mit solchen Betätigungsvorrichtungen lassen sich als Stellorgan von Ventilen Steuerschieber axial verschieben oder in drehender Weise bewegen. Dabei kommen unstetige Bewegungsabläufe (Schaltventile) oder stetige Bewegungsabläufe (Stellventil) in Betracht. Es lassen sich damit Fluide ansteuern oder lenken (Wegeventil), der Volumenstrom läßt sich damit beeinflussen (Stromventil) oder der Druck des Fluids läßt sich einstellen (Druckventile). Häufig sind die Betätigungsvorrichtungen als Proportional-Magnetsysteme ausgebildet, bei denen die Hubarbeit eines in Hubrichtung bewegbaren Magnetankers proportional zu der Bestromung der Spulenwicklung ist.
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Als magnetisch trennende Einrichtungen sind Luftspalte, Schweißnähte mit einem unmagnetischen Werkstoff und dergleichen mehr bekannt. Teilweise sind solche Einrichtungen zur magnetischen Entkopplung des Polkerns von dem Polrohr aufwendig in der Herstellung. Zudem ist insbesondere deren Wirkung als teilweise unspezifisch anzusehen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für Ventile, zu schaffen, die auf einfache Weise eine wirkungsvolle magnetische Entkopplung von Polkern und Polrohr ermöglicht.
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Eine dahingehende Aufgabe löst eine Betätigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
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Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Einrichtung zur magnetischen Beeinflussung mindestens ein Magnetfeld erzeugendes Element umfaßt, das eine magnetische Sättigung durch die Wechselwirkung seines insbesondere in radialer Richtung zu dem Polrohr gerichteten Magnetfelds und dem von der Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld bewirkt, ist eine magnetische Einstellung, insbesondere Entkopplung, in der beschriebenen Weise ermöglicht. In dem Polrohr kann es durch die Überlagerung der beiden magnetischen Felder zur einstellbaren magnetischen Sättigung kommen, um dergestalt mit hoher Wirkung den Magnetanker der Betätigungsvorrichtung ansteuern zu können, wobei sich diesbezüglich auch hohe Magnet- oder Schaltkräfte und mithin Betätigungskräfte für den Magnetanker der Betätigungsvorrichtung realisieren lassen.
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Die Einrichtung zur magnetischen Trennung oder Entkopplung kann durch einen oder mehrere Permanentmagnete gebildet sein, deren magnetisches Feld vorzugsweise eine radiale Ausrichtung aufweist. Ein radial ausgerichtetes Magnetfeld im Sinne einer magnetischen Entkopplung in dem Polrohr kann vorzugsweise auch durch einen oder mehrere Elektromagnete gebildet sein, wobei vorzugsweise die einzelnen Elektromagnete voneinander einen tangentialen Abstand einnehmen.
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Um eine einfache Herstellung der Betätigungsvorrichtung zu gewährleisten, ist vorzugsweise vorgesehen, den oder die Permanentmagnete oder Elektromagnete radial zwischen dem Polrohr und dem Spulenkörper anzuordnen. Die Permanentmagnete oder Elektromagnete sowie die Einrichtung zur magnetischen Entkopplung sind dabei bevorzugt in einer zumindest teilweisen, kraftschlüssigen Klemmverbindung zwischen dem Polrohr und dem Spulenkörper angeordnet.
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Es kann auch vorteilhaft sein, um die Vormontage der Betätigungsvorrichtung zu vereinfachen, einen Formschluß zwischen dem Polrohr und der Einrichtung zur magnetischen Entkopplung vorzusehen. Dies kann durch Einsetzen eines oder mehrerer Permanentmagnete in die Außen- oder Innenumfangsfläche des Polrohres bewirkt werden. Anstelle der Permanentmagnete können, wie dargelegt, Elektromagnete treten. Hierbei lassen sich Ausnehmungen, die der Außenkontur der Permanentmagnete oder Elektromagnete angepaßt sind, in dem Polrohr vorsehen. In die Ausnehmungen lassen sich die Permanent- oder Elektromagnete unter Bildung einer Preßpassung jeweils einsetzen. Die Einrichtung zur magnetischen Entkopplung in Form von Permanent- oder Elektromagneten läßt sich konturgenau und zu dem Profilrohr bündig mit dessen jeweiliger Außenumfangsfläche oder Innenumfangsfläche gestalten und einpassen.
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Vorzugsweise sind mehrere, insbesondere drei Permanent- oder Elektromagnete um den Polrohr- und/oder Polkern-Umfang vorhanden. Die Permanent- oder Elektromagnete haben vorzugsweise gleichen tangentialen Abstand voneinander und sind beispielsweise um 120° bezogen auf ihre jeweilige Längsachse zueinander versetzt um den Innen- oder Außenumfang des Polrohres angeordnet.
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Die Permanent- oder Elektromagnete lassen sich als rechteckförmige, gewölbte Platten bzw. als Spulenwicklungen ausbilden. Die derart gebildete Einrichtung zur magnetischen Entkopplung kann vorteilhaft sehr flach ausgebildet sein. Ihre radiale Dicke kann beispielsweise lediglich 1/8 bis 1/3 der Dicke des Spulenkörpers der eigentlichen Betätigungsvorrichtung betragen. Auch kann der jeweilige Permanent- oder Elektromagnet ringförmig das Polrohr oder den Polkern umfassen.
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An seinem, dem Polkern zugewandten Ende weist der Magnetanker einen Konus auf, der sich in einem Gegenkonus in dem Polkern abbilden läßt. Dadurch läßt sich der magnetische Widerstand entsprechend der Bewegung des Magnetankers zu dem Polkern hin verringern. Umgekehrt wird die Anziehungskraft des Spulenkörpers auf den Magnetanker erhöht. Auf diese Weise läßt sich über einen längeren Hubweg des Magnetankers eine Axialkraft aufrechterhalten. Es läßt sich dadurch eine gewünschte Kraft-Weg-Kennlinie darstellen.
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Neben der angesprochenen magnetischen Entkopplung oder Trennung wäre es aber auch denkbar, mit der jeweiligen magnetischen Einrichtung eine Überlagerung der Magnetfeld-Kennlinien dergestalt vorzunehmen, dass es im Bedarfsfall im Bereich der Trennung zu einer Magnetfeld-Verstärkung kommt, was für spezielle Einsatzfälle, wie schnellschaltender Magnete, von Vorteil sein könnte. In einer besonders einfach aufbauenden Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung ist der Polkern und das Polrohr einstückig ausgebildet.
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Im folgenden wird die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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2 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch die Betätigungsvorrichtung in 2; und
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4 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
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Die in den 1 bis 4 in Längsschnitten bzw. einem Querschnitt (3) dargestellte Betätigungsvorrichtung 1, die man fachsprachlich auch teilweise als Schalt- oder Betätigungsmagnet sowie Elektromagnet bezeichnet, ist im wesentlichen aus einem Spulenkörper 2 mit einer Spulenwicklung 3 gebildet, die bei Bestromung einen Betätigungsvorgang auslösen kann.
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Der Spulenkörper 2 umgreift radial über seine gesamte Länge jeweils zur Hälfte etwa ein zylindrisches Polrohr 5 und einen zylindrischen Polkern 4. Der Polkern 4 ist einstückig mit dem Polrohr 5 ausgebildet. Innerhalb des Polrohres 5 ist ein Magnetanker 7 in einem Ankerraum 6 axial verschiebbar geführt, wobei der Magnetanker an seinem einen stirnseitigen, dem Polkern 4 zugewandten Ende 15 mit einem stößel- oder stangenartigen Betätigungselement 8 zusammenwirkt. Das Betätigungselement 8 ist axial verschiebbar in dem Polkern 4 geführt und durchgreift den Polkern vollständig, wobei es an ein nicht dargestelltes Fluidventil zu dessen Betätigung koppelbar ist. Als Anschlagdämpfung und um ein Anhaften des Magnetankers 7 am Polkern zu vermeiden, ist zwischen diesen genannten Bauteilen eine Antihaft- oder Antiklebescheibe 17 ringförmig angeordnet, die mit ihrem Außenumfang an der Innenumfangsfläche 13 des Polrohres 5 zu liegen kommt.
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In Blickrichtung auf die 1, 2 und 4 gesehen befindet sich der Magnetanker 7 mit dem Betätigungselement 8 in seiner rechten Anschlagstellung, was dem bestromten Zustand für die Spulenwicklung 3 entsprechen soll. Bei nichtbestromtem Zustand der Spulenwicklung 3 wird die dahingehende Anordnung über eine nicht näher gezeigte Rückstellfeder, die etwa in dem Fluidventil angeordnet ist, in die linke Anschlagstellung zurückgefahren, wobei der Magnetanker dann an einem Boden 18 des Polrohres 5 anstößt.
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Das Polrohr 5 steht mit seinem linken Ende über ein den Spulenkörper 2 und den Polkern 4 umgebendes Gehäuse 19 über und ist in ein, den Boden 18 bildendes Abschlußelement 20 und insbesondere in einer Umfangsnut 21 des dahingehenden Abschlußelementes 20 endseitig eingebördelt. Insoweit ergibt sich ein druckdichter Abschluß zum Abschlußelement 20 hin. In dem Abschlußelement 20, das in der Art eines Stopfens mit Axialanschlag an dem Polrohrende anliegt, ist eine weitere Umfangsnut 22 eingebracht, die ein ringförmiges Dichtelement 23 aufnimmt und insoweit den Ankerraum 6 gegenüber der Umgebung abdichtet.
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In dem Gehäuse 19 ist eine nicht gezeigte Anschlußstelle für die Leiterenden der Spulenwicklung 3 integriert, so dass sich die Spulenwicklung 3 von außerhalb des Gehäuses 19 her bestromen läßt. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen im Stand der Technik kommt die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung 1 ohne eine übliche Trennstelle in dem Polrohr 5 oder zwischen dem Polrohr 5 und dem Polkern 4 aus, sei es in Form einer Schweißnaht oder sei es in Form einer frei gelassenen Stelle (Luftspalt), die sonst üblicherweise dazu dienen, das Polrohr 5 von dem Polkern 4 magnetisch zu entkoppeln.
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Anstelle dieser bekannten konstruktiven Maßnahmen zur magnetischen Entkopplung sieht die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung 1 eine Einrichtung 9 vor, die ein Magnetfeld erzeugendes Element 10 umfaßt.
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Wie die 1 und 4 zeigen, werden hierzu vorzugsweise ein plattenartiger oder ringförmiger Permanentmagnet 11 oder vorzugsweise drei plattenartig gewölbte Permanentmagnete 11, die sich entlang des Außenumfanges verteilen, eingesetzt. Das ein Magnetfeld erzeugende Element 10 oder die dergestalt gebildeten Permanentmagnete 11 erzeugen ein in radialer Richtung zu dem Polrohr 5 verlaufendes Magnetfeld, welches in der Lage ist, sich mit dem Magnetfeld des Spulenkörpers 2 derart zu überlagern, dass eine magnetische Sättigung in dem Polrohr 5 an der Stelle und um den Umfang des Polrohres 5, an welchem sich die Permanentmagnete 11 befinden, entsteht.
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Die 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die ein Magnetfeld erzeugenden Elemente 10 an oder in einer Außenumfangsfläche 12 des Polrohres 5 angeordnet sind. In der 1 ist der Permanentmagnet 11 bündig in eine U-förmige Umfangsnut in dem Polrohr 5 eingelassen, wobei die Dicke d des Permanentmagneten 11 oder von mehreren, um das Polrohr 5 angeordneten Permanentmagneten 11 etwa 1/8 der Dicke D des Spulenkörpers 2 entspricht. Die axiale Ausdehnung des jeweiligen Magneten 11 beträgt dabei lediglich etwa 1/10 der axialen Ausdehnung des Spulenkörpers 2. In dem in 2 in einem Längsschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel einer Betätigungsvorrichtung 1 sind hingegen, wie dies insbesondere die 3 in einem Querschnitt von 2 zeigt, drei gewölbte plattenartige Elektromagnete 14 mit ihren Spulenwicklungen vorgesehen. Die Elektromagnete 14 sind jeweils um 120° versetzt auf der Außenumfangsfläche 12 des Polrohres 5 und des Polkerns 4 aufgesetzt. Sie sind insbesondere klemmend zwischen dem Polrohr 5 und dem Spulenkörper 2 angeordnet. Die tangentiale Erstreckung der Elektromagnete 14 ist jeweils etwa 1/8 des Gesamtumfanges des Polrohres 5. Über etwa ¼ ihrer axialen Länge sind die Elektromagnete 14 auf dem Polkern 4 liegend angeordnet und erstrecken sich mit ihrer restlichen Länge auf der Außenumfangsfläche des Polrohres 5.
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Neben der gewählten Magnetkraft der Elemente 10 oder Permanentmagnete 11 sowie der Elektromagnete 14 kann die Hub-Kraft-Kennlinie der Betätigungsvorrichtung 1 auch durch die Gestalt des Endes 17 des Magnetankers 7, das dem Polkern 4 zugewandt ist, bestimmt werden. Hierzu zeigt 4 ein Ausführungsbeispiel in einem schematischen Längsschnitt, das insbesondere zur Verlängerung des Hubes bei möglichst konstanter Hubkraft einen Steuerkonus oder eine konische Verjüngung 16 an dem Magnetanker 7 vorsieht. Hierdurch wird der magnetische Widerstand entsprechend der Bewegung des Magnetankers 7 allmählich verändert und die magnetische Anziehungskraft auf den Magnetanker 7 insgesamt erhöht. Die konische Verjüngung 16 ist an der dem Magnetanker benachbarten Stirnseite des Polkernes 4 abgebildet.
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Stand der Technik war es bisher, bei Polrohren eine magnetische Trennung in das Polrohr einzuschweißen oder einzulöten. Dadurch werden die magnetischen Kennlinien in den Anker gelenkt, woraus eine Kraft resultiert, welche auf den Anker der Betätigungsvorrichtung einwirkt. Der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung liegt der Grundgedanke zugrunde, in dem in Rede stehenden Material eine Sättigung herbeizuführen. Beaufschlagt man, wie erläutert, zusätzlich zu dem schon anliegenden magnetischen Feld, hervorgerufen über den Spulenkörper 2 mit der Spulenwicklung 3, ein weiteres magnetisches Feld mittels einer Einrichtung 9 mit mindestens einem Magnetfeld erzeugenden Element 10, so treten die beiden Felder in Wechselwirkung, insbesondere wenn das weitere magnetische Feld eine radiale Feldausrichtung einnimmt.
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Die Wechselwirkung zwischen den beiden Feldern kann dann derart sein, dass es, wie im Stand der Technik, zu einer magnetischen Trennung oder Entkopplung des Polrohres von dem Polkern kommt; bevorzugt ist aber vorgesehen, dass es in dem Polrohr dank der Überlagerung der beiden Felder zu einer magnetischen Sättigung kommt. Im dahingehenden Fall treten die magnetischen Kennlinien unmittelbar aus dem Polrohr aus und wechseln in den Betätigungsanker. Dies führt insgesamt zu einer magnetischen Polarisation des Ankers, woraus eine verstärkte Kraft auf den Anker einwirken kann.
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Insbesondere im Falle des Einsatzes von Elektromagneten 14 kann die Wechselwirkung in relativ weit gezogenem Rahmen vorgegeben werden, d. h. neben der angesprochenen magnetischen Trennung und/oder des Zustands der Sättigung des Polrohres könnte die Überlagerung der einzelnen Magnetfelder auch derart sein, dass die Magnetfeld erzeugende Wirkung der Spulenwicklung 3 verstärkt wird, um dergestalt beispielsweise den Magnetanker abzubremsen, bevor dieser seine maximale Endauslenkstellung einnimmt. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektromagnete 14 kann dann die jeweilig Feldüberlagerung mit der Hauptwicklung des Spulenkörpers 2 dergestalt vonstatten gehen, dass in den beiden gegenüberliegenden, möglichen Betätigungsrichtungen des Ankers 7 sich unterschiedliche Kräfte und Verfahrgeschwindigkeiten vorgeben lassen. Letzteres setzt den Einsatz einer intelligenten Steuerung voraus.
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Insgesamt läßt sich die Hub-Kraft-Kennlinie dann durch die folgenden Parameter beeinflussen:
- – durch Modifikation eines Innen- oder Außenkonus am Anker,
- – mittels Schrägen am Polrohr,
- – in Form unterschiedlicher Magnete, sei es in Form von Permanentmagneten 11 oder Elektromagneten 14 oder Kombinationen dieser Magnettypen, und
- – mit Hilfe der Position des Magneten im Polrohr und unter Einbezug ob dieser innen oder außen am Polrohr angebracht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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